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ZigBee

ZigBee，也称紫蜂[1]，是一种低速短距离传输的无线网络协议，底层是采用IEEE 802.15.4标准规范的媒体存取层与物理层。主要特色有低速、低耗电、低成本、支持大量网络节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、可靠、安全。

ZigBee模块晶片

发展历程

主要由Honeywell公司组成的ZigBee Alliance制定，从1998年开始发展，于2001年向电机电子工程师学会（IEEE）提案纳入IEEE 802.15.4标准规范之中，自此将ZigBee技术渐渐成为各业界共同通用的低速短距无线通讯技术之一[2]。

IEEE802.15.4/ZigBee协议概述

IEEE802.15.4协议是IEEE802.15.4工作组为低速率无线个人区域网（WPAN:Wireless Personal Area Network）制定的标准，该工作组成立于2002年12月，致力于定义一种廉价的，固定、便携或移动设备使用的，低复杂度、低成本、低功耗、低速率的无线连接技术，并于2003年12月通过了第一个802.15.4标准。随着无线传感器网络技术的发展，无线传感器网络的标准也得到了快速的发展。802.15.4标准定义了在个人区域网中通过射频方式在装置间进行互连的方式与协议，该标准使用避免冲突的载波监听多址接入以方式作为媒体访问机制，同时支持星型与对等型拓扑结构。

在802.15.4标准中指定了两个物理频段和直接序列扩频（DSSS）物理层频段：868/915MHz和2.4GHz。2.4GHz的物理层支持空气中250kb/s的速率，而868/915MHz的物理层支持空气中20kb/s和40kb/s的传输速率。由于数据包开销和处理延迟，实际的数据吞吐量会小于规定的比特率。作为支持低速率、低功耗、短距离无线通信的协议标准，802.15.4在无线电频率和数据率、数据传输模型、装置类型、网络工作方式、安全等方面都做出了说明。并且将协议模型划分为物理层和媒体接入控制层两个子层进行实现。

ZigBee协议是由ZigBee联盟制定的无线通信标准，该联盟成立于2001年8月。2002年下半年，英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司共同宣布加入ZigBee联盟，研发名为“ZigBee”的下一代无线通信标准，这一事件成为该技术发展过程中的里程碑。ZigBee联盟现有的理事公司包括BM Group，Ember公司，飞思卡尔半导体，Honeywell，三菱电机，摩托罗拉，飞利浦，三星电子，西门子，及德州仪器。ZigBee联盟的目的是为了在全球统一标准上实现简单可靠、价格低廉、功耗低、无线连接的监测和控制产品进行合作，并于2004年12月发布了第一个正式标准。

缩写与用语解释

  • AF - Application Framework（应用层框架）。
  • APL - Application Layer（应用层）。
  • APS - Application Support sublayer（应用支撑层）。
  • MAC - Media Access Control layer（媒体访问控制层）。
  • NIB - Network Information Base（网络资讯库）
  • NWK - Network layer（网络层）。
  • PHY - Physical layer（物理层）。
  • WPAN - Wireless Personal Area Network。为IEEE 802.15族系所规范的一系列无线个人区网标准。
  • ZC - ZigBee Coordinator（ZigBee协调员）。
  • ZDO - ZigBee Device Object（ZigBee装置对象）。
  • ZED - ZigBee End Device（ZigBee终端装置）。
  • ZR - ZigBee Router（ZigBee路由）。
  • FFD - Full Function Device（全功能器件）。
  • RFD - Reduce Function Device（精简功能器件）。

协议层与标准说明

ZigBee协议层从下到上分别为物理层（PHY）、媒体存取层（MAC）、网络层（NWK）、应用层（APL）等。网络装置的角色可分为ZigBee Coordinator、ZigBee Router、ZigBee End Device等三种。支持网络拓扑有星型、树型、网型等三种。

网络层（NWK）

网络层负责以下工作：

  • 加入与离开某个网络
  • 将数据包做安全性处理
  • 传送数据包到目标节点
  • 找寻并维护节点间的绕径路线
  • 搜索邻节点
  • 存储相关邻节点资讯

ZigBee Coordinator额外工作：

  • 发起一个网络
  • 设置各项网络参数
  • 分派网络地址并规范网络地址分发原则

NWK Primitives（网络层原语）

  • NLDE-DATA
  • NLME-NETWORK-DISCOVERY
  • NLME-NETWORK-FORMATION
  • NLME-PERMIT-JOINING
  • NLME-START-ROUTER
  • NLME-JOIN
  • NLME-DIRECT-JOIN
  • NLME-LEAVE
  • NLME-RESET
  • NLME-SYNC
  • NLME-GET
  • NLME-SET

ZigBee V1.1新增：

  • NLME-ROUTE-ERROR
  • NLME-ROUTE-DISCOVERY
  • NLME-TEST

应用层（APL）

  • ZigBee应用层包含应用程式支持子层（APS）、应用程式框架（AF）、ZigBee装置管控物件（ZDO）与各厂商定义的应用程式物件。
  • APS次层提供网络层与应用层之间的接口，维持物件之间的链接表（binding table），并在链接的装置之间传递消息，它也维持了一个APS资讯库（APS Information Base, AIB）。
  • ZDO的功能包括起始应用程式支持子层、网络层以及安全服务等。

应用程式支持子层（APS）

APS子层是负责上层应用程式物件与下层网络层的协调。其工作有：

  • 维护Binding表，这是用来配对两网络节点间所需服务的对应表。
  • 转发已配对装置间的消息。
  • 处理64位IEEE地址与16位NWK地址间的对应。

ZigBee V1.1新增：

  • 群播地址定义，移除与过滤群播消息。
APS Primitives
  • APSDE-Data
  • APSME-BIND
  • APSME-GET
  • APSME-SET
  • APSME-UNBIND
  • APEME-ESTABLISH-KEY
  • APSME-TRANSPORT-KEY
  • APSME-UPDATE-DEVICE
  • APSME-REMOVE-DEVICE
  • APSME-REQUEST-KEY
  • APSME-SWITCH-KEY

ZigBee V1.1新增

  • APSME-ADD-GROUP
  • APSME-REMOVE-GROUP
  • APSME-REMOVE-ALL-GROUPS

ZigBee装置管制物件（ZigBee Device Object, ZDO）

ZDO可视为应用程式物件之一，所不同的是ZDO专门负责整体系统的管理事务，Endpoint 0只能且必定由ZDO使用，每个节点都一定有此物件。负责工作有：

  • 定义或调整本身装置在网络上的角色（ZC、ZR或ZED）。
  • 建构上层应用所需的资讯、发出或回应链接的要求。
  • 搜索并探知其他网络节点可用的应用程式服务。
  • 起始与回应配对要求。
  • 建立两网络节点间的安全性关系。

版本

ZigBee V1.0

这是第一个ZigBee标准公开版，于2005年6月开放下载，文件内记载公布时间为June 27, 2005，内部文件编号为053474r06。

ZigBee V1.1

第二个ZigBee标准公开版，于2007年1月开放下载，文件内记载公布时间为December 1, 2006，内部文件编号为053474r13。又称为ZigBee 2006。

ZigBee V1.2

第三个ZigBee标准公开版，于2008年1月开放下载，文件内记载公布时间为January 17, 2008，内部文件编号为053474r17。又称为ZigBee Pro、ZigBee 2007。

整理

资讯库（Information Base）

ZigBee某些层有资讯库存储该层所需资讯，共有以下几种：

  • MAC资讯库（MIB）
  • NWK资讯库（NIB）
  • APS资讯库（AIB）

Profile

ZigBee所定义的Profile有两种：

  • Application Pro：针对各种不同应用情境所定义出的概略行为蓝图，如Home Control Lighting (HCL)和Home Automation (HA)。一般所称的Profile通常是指此种Profile。
  • Stack Pro：主要规定通用性的网络参数，如Network Specific、Home Controls (HC)、Building Automation (BA)、Plant Control等Stack Profile。原则上Application Profile中会说明可采用何种Stack Profile来作为基础网络建构方案，如HCL中即采用HC作为网络建构方案。

各层寻址

  • MAC：可采用64位IEEE地址或16位NWK地址。
  • NWK：16位NWK地址。
  • APS：8位Endpoint号码。

比较

方式 Wi-Fi ZigBee 电力载波 蓝牙
传输距离 10-30m 50-300m 500m 1-10m
传输速率 9.6Gbps 250kbps 1000Mbps 2Mbps
功耗 10-50mA 5mA ZigBee和Wi-Fi之间
特点 应用最广 可自组网，网络节点数最大可达65000个。 可基于电力线传输，无需布线。 现时智能电话、智慧手表、电脑必备装置，已成为无线键盘、无线滑鼠、无线免提无线扬声器等之主流连接技术

参见

参考文献

  1. ^ 紫蜂技术及其应用. 北京邮电大学出版社. 2006. ISBN 9787563511990. 
  2. ^ ZigBee,什麼是zigbee？. 电子工程专辑. [2011-01-03]. （原始内容存档于2012-08-13） （中文（台湾））. 

外部链接

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